模塊化設計在“機械基礎”教具設計上的應用＊

劉璟

（北海職業學院，廣西 北海 536000）

20世紀50年代，“模塊化設計”概念正式被提出[1]。模塊化產品是將產品的功能和結構進行拆分，形成一個個獨立的標準化模塊，能夠實現自由地組合、分解、替換，具有標準化、組合化、通用性等特點，不同組件相互結合能夠滿足不同使用者的個性化的需求[2]。與傳統產品相比，模塊化產品更加靈活自由、功能多樣，且生產成本降低和生產周期縮短使其價格更具優勢，是目前非常盛行的產品模式。隨著科技的進步，“模塊化設計”被廣泛地應用于各行各業，如計算機、電器、電子、機床、家具等。

教具的設計制造最早起源于歐洲，18世紀中葉掀起了產業革命，此時誕生了許多講解自然科學原理和生產技術原理的教具，如物理學中的聲、光、電、實驗儀器，機械、電機模型等。中國的教具生產制造公司最早可以追溯到1914年，留美學生趙元任創建了中國科學社和科學儀器公司，這是中國設計制造教具的萌芽[3]。隨著時代的發展，在信息化和課改的推動下，教具行業進入高速發展時期。

1 模塊化設計的研究現狀

模塊設計最早誕生于德國的一個家具公司，該公司將一款書架分成了若干個獨立模塊[4]。客戶可以根據自己的需求，將這些模塊自由的組裝成理想的書架。隨后這種模塊化設計的理念逐漸被其他行業所廣泛應用，如飛機行業、汽車行業、船舶行業等。

隨著對模塊化設計的研究逐漸加深，20世紀50年代相關學者給出了“模塊化設計”的定義：將產品的功能、性能、規格進行詳細且準確的分析，創建一系列具有特定功能的模塊，然后將這些模塊互相組合，構成具有不同功能的產品，以滿足不同的使用要求。

20世紀60年代，模塊化設計開始應用于電腦的設計研發，這一劃時代的應用是美國硅谷崛起的原因之一。在國外，20世紀80年代后，隨著計算機輔助設計技術、網絡技術、材料技術的快速發展，模塊化設計也隨之得到了進一步的發展[5]。模塊化設計理念在家電行業、計算機配置行業、機床行業、服務產品、電子產品都有深入的研究和應用。在中國，20世紀70年代模塊化設計理念開始得到應用，特別是在機床行業，應用模塊化設計原理進行新產品開發，開發出了一系列重型數型立式車床。隨后各行各業的專家學者在模塊化設計領域做了大量研究，如龔京忠等提出了一種基于功能-行為-結構的產品概念模塊設計方法，并應用于堆垛機貨叉機構的設計；侯亮等[6-7]提出了基于模糊聚類分析和復合閾值進行模塊劃分以及多目標線性加權優化的方案評價方法，并應用于企業資源配置研究產品模塊化問題。目前，模塊化設計技術與各行各業相結合，正在快速向前發展。

2 “機械基礎”教具現狀

2.1 型號陳舊，維護困難

隨著教育理念的高速發展，各種教學方式層出不窮。然而，“機械基礎”教具卻發展緩慢，常用的教學用具依舊停留在傳統的傳動機構類教具，如齒輪機構、帶輪機構。此類教具過于陳舊，其功能和結構與當前的教學方式嚴重脫節，以致教師上課時往往使用動圖或者視頻等新媒體素材來替代教具的功能。此外，傳統的“機械基礎”教具材料多為PVC或者木材，使用壽命短，極易損壞。教具的生產廠家又通常不提供維修的技術支持，導致維修困難。使用一段時間后，容易出現故障而影響教師的使用，“機械基礎”教具就被棄之不用了。

2.2 需求難以實現

市場上的教具從結構到功能都具有局限性，教師在使用這類教具時，教學設計的實施會受到一定的制約，不能達到預期的教學目標[8]。

3 模塊化設計“機械基礎”教具的過程

3.1 模塊劃分

模塊是指組合成系統的，具有某種確定功能的通用獨立單元[9]。在模塊化設計之前首先要做的是模塊劃分。模塊劃分時要考慮如何滿足產品的精度要求、可靠性要求、經濟性要求等。同時也應考慮采用盡量少的模塊數量去完成更完善的產品。為了保證不同功能的模塊的自由組合和相同功能模塊的任意互換，模塊設計時應考慮其組合性和可互換性[10]。根據“機械基礎”教具的各部分功能，將教具劃分成若干具有獨立功能的的模塊。其中，最基本的模塊是底座模塊，底座模塊是整個教具的基石，可安裝其他功能模塊。模塊和模塊的連接，通過接口實現，因此在底座模塊上設計有安裝接口，用于和其他功能模塊連接。根據“機械基礎”中常用機構這章課程的內容，將每個常用機構單獨設計成一個模塊，如四桿機構模塊、凸輪機構模塊、棘輪機構模塊等。各傳動機構模塊可通過接口單獨安裝在底座模塊上，從而組成一個具有完整教學功能的教具系統。本文以四桿機構模塊和棘輪機構模塊為例，介紹該教具的設計。

3.2 底座模塊的設計

底座模塊的功能是安裝其他功能模塊。整體結構設計是用2塊鋁合金板搭建而成，構成一個如圖1所示的“T”形結構。鋁合金材料既能保證教具具有足夠的強度和韌性，又不失教具的輕便性。底座模塊的表面采用噴砂氧化處理，使教具表面光潔和美觀。經過噴砂氧化處理的教具，表面會形成一層致密的氧化膜，氧化膜起到耐磨耐腐蝕的作用。底座模塊的背部上設計有2個接口，分別為動力接口和限位接口，如圖2所示。動力接口設計有驅動手柄，人驅動手柄旋轉作為整個教具系統的動力。限位接口的主要功能是固定安裝在底座模塊上的其他功能模塊，使之牢固地安裝在底座模塊上，不會出現晃動的現象。其他功能模塊通過這2個接口安裝在底座模塊上，便組成一個完整的教具系統。為了方便搬運和攜帶，底座模塊安裝有一對鋁合金把手。

圖1 底座模塊正面

圖2 底座模塊背面

3.3 四連桿機構模塊

四連桿機構模塊的設計如圖3所示。本案例以曲柄搖桿為例，整體材料均為鋁合金，同時兼顧強度和輕便性。連桿和連桿之間用銷軸連接，為了活動順暢和減少磨損，銷軸裝有薄型無油襯套。無油襯套又稱為自潤滑軸承，是一種兼有金屬軸承特點和無油潤滑軸承特點的新穎潤滑軸承，具有承載能力強、耐沖擊、耐高溫、自潤滑能力強等特點，特別適用于重載、低速、往復或擺動等難以潤滑和形成油膜的場合。為了與底座模塊連接，四連桿機構模塊也設計有限位接口和動力接口，與底座模塊對應的接口相配合，使四連桿機構模塊既能牢固安裝在底座模塊上，又能傳遞動力驅動四連桿機構運動。如圖4所示，四連桿機構模塊已安裝在底座模塊上，當教師驅動手柄旋轉時，便可向學生演示此套四連桿機構的運動狀況和傳動特點。

圖3 四連桿機構模塊

圖4 四連桿機構模塊安裝在底座模塊上

3.4 棘輪機構模塊

棘輪機構模塊的設計如圖5所示，主要由棘爪、棘輪、限位接口和動力接口4個部分組成。各零件的材料同樣是采用鋁合金，兼顧模塊的強度和整體的輕便性。為了與底座模塊相連，同樣設計了限位接口和動力接口。當教師需要講解棘輪機構時，可先把安裝在底座模塊上的其他功能模塊拆下，然后安裝上棘輪機構模塊，如圖6所示。棘輪機構的特點是結構簡單、安裝容易、步進量容易調整，但缺點是定位精度差、噪聲差、磨損較大。教師講解到棘輪機構時，可以讓學生自己動手驅動手柄旋轉，讓學生自己觀察和思考棘輪機構的運動特點。這種手腦結合的學習方法，既能提高學生的學習興趣，又能加深對棘輪機構特點的理解。

圖5 棘輪機構模塊

圖6 棘輪機構模塊安裝在底座模塊上

3.5 接口設計

在模塊化設計的產品中，各個功能模塊通過接口組合而成一個系統[11]。模塊間的接口適配性是保證組成系統后正常運行的保障。接口的統一化，是達成模塊互換性的基礎。在本教具的設計中，有2種類型的接口：一種是動力接口，用來傳遞動力；另一種是限位接口，用以保證安裝牢靠。動力接口和限位接口的連接分別如圖7、圖8所示。

圖7 動力接口連接示意圖

圖8 限位接口連接示意圖

4 結束語

“機械基礎”是機械類專業最基礎的一門課程，本門課程知識點繁多，公式也較為復雜，需要用教具輔助教學，將相關知識點用教具形象生動地展示給學生。傳統的“機械基礎”教具種類繁多，笨重不易攜帶和展示，因此研究將各個傳動機構的教具進行模塊化處理，需要展示某個運動機構時，將相關的教具模塊裝配到底座模塊上。采用“模塊化設計”理論設計的“機械基礎”教具具有攜帶方便、拆卸簡單、可重組性等優點。在拆卸和組裝過程中，能讓學生更加直觀地了解各個運動機構的特點和原理，并深刻理解相關知識。